CN115538284A - 一种基于零质量射流的扁平箱梁主动控制结构和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于零质量射流的扁平箱梁主动控制结构，包括射流装置；所述射流装置包括壳体和安装在壳体上的振动膜，壳体布置在箱梁内，壳体和振动膜形成空腔，空腔的底部具有通气口，通气口与箱梁的底面齐平；当振动膜向上弹起时，空腔内的空间变大，外部气体从通气口进入空腔；当振动膜向下收缩时，空腔内的空间变小，空腔内的气体从通气口排出。由于通气口与箱梁的底面齐平，通气口产生垂直于箱梁底面的剪切气流，剪切气流剪切贴合箱梁底面流动的平行气流，破坏平行气流可能形成的旋涡脱落，从而达到抑振桥梁涡振的效果。在整个过程中，射流装置的质量变化为零，通气口产生的气流被称为零质量射流。

Description

一种基于零质量射流的扁平箱梁主动控制结构和方法
技术领域
本发明涉及桥梁工程领域，尤其涉及一种基于零质量射流的扁平箱梁主动控制结构和方法。
背景技术
涡振是大跨度桥梁常常遇到的振动现象，对桥梁本身的耐久性、行车安全性以及舒适性都会产生影响。涡振产生的原因是：如图1所示，气流经过箱梁时产生分离，分离后的气流贴合箱梁表面流动并形成旋涡脱落，周期性的旋涡脱落在箱梁上产生周期性的作用力，当旋涡脱落的频率接近于桥梁的某个固有频率时，就激发了桥梁涡振。现有技术中抑制桥梁涡振的主要措施有两种：第一种是气动外形措施，例如加装导流板、风屏障、风嘴等；第二种是力学措施，例如加装阻尼器。其中，现有技术中的气动外形措施都是被动措施，抑振效果不佳。
发明内容
本发明要解决的技术问题是现有技术中用于抑制桥梁涡振的气动外形措施都是被动措施，抑振效果不佳。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于零质量射流的扁平箱梁主动控制结构，包括射流装置；
所述射流装置包括壳体和安装在壳体上的振动膜，壳体布置在箱梁内，壳体和振动膜形成空腔，空腔的底部具有通气口，通气口与箱梁的底面齐平；当振动膜向上弹起时，空腔内的空间变大，外部气体从通气口进入空腔；当振动膜向下收缩时，空腔内的空间变小，空腔内的气体从通气口排出。由于通气口与箱梁的底面齐平，通气口产生垂直于箱梁底面的剪切气流，剪切气流剪切贴合箱梁底面流动的平行气流，破坏平行气流可能形成的旋涡脱落，从而达到抑振桥梁涡振的效果。在整个过程中，通气口的气流是由振动膜振动产生，整个射流装置的质量变化为零，因此通气口产生的气流也被称为零质量射流。
具体的，所述振动膜可以采用压电陶瓷振动膜，压电陶瓷振动膜是一种安装了陶瓷压电片的薄膜，外部输入电压对压电陶瓷振动膜中的陶瓷压电片施加周期性变化的电压，在电压的作用下，陶瓷压电片产生逆压电效应，从而带动整个压电陶瓷振动膜振动。
旋涡脱落的周期性是产生桥梁涡振的重要因素，因此如果通气口处的剪切气流具有非周期性，那么该剪切气流对旋涡脱落的破坏效果更佳；为了实现这一技术效果，本发明的扁平箱梁主动控制结构还包括敲击机构；所述敲击机构包括框架、转轴、敲击锤、弹性杆、限位块和驱动组件，转轴安装在框架内，弹性杆的一端安装敲击锤另一端连接转轴，转轴带动敲击锤旋转，限位块固定在框架内，限位块和振动膜均位于敲击锤的旋转路径上且限位块处于振动膜的上游；驱动组件驱动转轴旋转；
敲击锤在旋转的过程中首先遇到限位块，在限位块的阻挡作用下，敲击锤暂时停留在限位块上并且弹性杆发生变形，当弹性杆的变形达到一定程度后，敲击锤将越过限位块并快速敲击振动膜。由于敲击锤越过限位块的动作依赖弹性杆的变形，这导致敲击锤对振动膜的敲击具有一定的不规律性，这种不规律的敲击改变了振动膜的振动频率和振幅，从而使得通气口处的剪切气流具备不规律性。
进一步的，所述驱动组件包括栏杆、摆动板、钢绳、棘轮和拉簧，所述栏杆安装在箱梁上，摆动板上设置有摆轴，摆动板通过摆轴铰接在栏杆上，钢绳的一端固定连接摆轴，钢绳的另一端缠绕棘轮后连接拉簧的一端，拉簧的另一端固定在框架或者限位块上；棘轮套在转轴上，棘轮的内圈设置有棘齿，所述转轴上设置有与棘齿相适配的棘爪；
摆动板受到自然风的作用产生摆动，摆动板通过摆轴牵引钢绳，钢绳受到摆动板和拉簧的作用进行往返动作，钢绳带动棘轮不停的正转和反转，棘齿和棘爪将棘轮的正转和反转转化为转轴的旋转；摆动板受到自然风的作用摆动，则摆动板的摆动具有不规律性，进而导致转轴的旋转具有不规律性，进一步导致敲击锤的旋转以及敲击锤对振动膜的敲击具有不规律性。
进一步的，所述驱动组件还包括导向辊，导向辊安装在箱梁上，导向辊引导钢绳的走向。
进一步的，所述振动膜的表面设置有敲击板，敲击板位于敲击锤的旋转路径上并且接受敲击锤的敲击，敲击板能够保护振动膜本身。
由于敲击锤是一个随着转轴旋转的部件，在敲击锤敲击振动膜后的一小段时间内，敲击锤必然还保持接触振动膜，这种接触会影响振动膜的振动；为了克服这一缺陷，所述敲击机构还包括护板，护板衔接敲击板并且位于振动膜之上，护板与敲击板和振动膜之间均具有间隙；当敲击锤接触敲击板之后会立刻转移至护板上，在之后的一小段时间，敲击锤在护板上滑过，不影响振动膜的振动。
进一步的，扁平箱梁主动控制结构还包括风力发电机和导流框架，所述导流框架内设置有导流通道，导流通道贴合箱梁的侧面和底面，风力发电机布置在导流通道的进风口，风力发电机为振动膜供电；所述通气口与导流通道连通，导流框架对应通气口的位置设置有出风口；安装了导流框架之后，平行气流将在导流框架的表面流过，通气口产生的剪切气流穿过出风口剪切导流框架表面的平行气流，同样的抑制旋涡脱落。
进一步的，所述导流通道的末尾封闭，这意味着从进风口进入导流通道的空气也只能从出风口离开，这部分空气汇合通气口产生的剪切气流。
本发明还提供了一种基于零质量射流的扁平箱梁主动控制方法，应用前述的基于零质量射流的扁平箱梁主动控制结构，通过振动膜的振动在通气口产生垂直于箱梁底面的剪切气流，利用剪切气流剪切贴合箱梁底面流动的平行气流，破坏平行气体可能形成的旋涡脱落。
有益效果：(1)本发明的扁平箱梁主动控制结构利用振动膜和壳体在通气口产生垂直于箱梁底面的剪切气流，剪切气流剪切贴合箱梁底面流动的平行气流，破坏平行气流可能形成的旋涡脱落，实现了抑振桥梁涡振的目的。(2)本发明的扁平箱梁主动控制结构利用弹性杆连接敲击锤，使得敲击锤暂时停留在限位块上并弯曲弹性杆蓄能，实现了敲击锤对振动膜的不规律敲击，改变了振动膜的振动频率和振幅，从而使得通气口处的剪切气流具备不规律性，提高了剪切气流对旋涡脱落的破坏效果。(3)本发明的扁平箱梁主动控制结构利用摆动板驱动转轴旋转，摆动板由自然风驱动，具有天然的不规律性，使得由转轴驱动的敲击锤具备同样的不规律性。(4)本发明的扁平箱梁主动控制结构在振动膜的表面设置敲击板和护板，既能保护振动膜也能避免敲击锤长时间停留在振动膜表面影响振动膜的振动。
附图说明
图1是桥梁涡振的形成原理图。
图2是实施例1扁平箱梁主动控制结构的结构图。
图3是实施例1中驱动组件的结构图。
图4是实施例1中敲击机构的结构图。
图5是图4的A放大图。
图6是实施例1中射流装置、导流框架和风力发电机的结构图。
其中：100、射流装置；110、壳体；120、振动膜；130、通气口；200、敲击机构；210、框架；220、转轴；221、棘爪；230、敲击锤；240、弹性杆；250、限位块；260、驱动组件；261、栏杆；262、摆动板；262-1、摆轴；263、钢绳；264、棘轮；264-1、棘齿；265、拉簧；266、导向辊；270、敲击板；280、护板；300、导流框架；310、导流通道；320、出风口；400、风力发电机；500、箱梁。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
实施例1
如图2至图6所示，本实施例的基于零质量射流的扁平箱梁主动控制结构，包括射流装置100、敲击机构200、导流框架300和风力发电机400；
射流装置100包括壳体110和安装在壳体110上的振动膜120，壳体110布置在箱梁内，壳体110和振动膜120形成空腔，空腔的底部具有通气口130，通气口130与箱梁的底面齐平；当振动膜120向上弹起时，空腔内的空间变大，外部气体从通气口130进入空腔；当振动膜120向下收缩时，空腔内的空间变小，空腔内的气体从通气口130排出。其中，振动膜120采用压电陶瓷振动膜，压电陶瓷振动膜是一种安装了陶瓷压电片的薄膜，外部输入电压对压电陶瓷振动膜中的陶瓷压电片施加周期性变化的电压，在电压的作用下，陶瓷压电片产生逆压电效应，从而带动整个压电陶瓷振动膜振动。
如图3至图5所示，敲击机构200包括框架210、转轴220、敲击锤230、弹性杆240、限位块250、驱动组件260、敲击板270和护板280，转轴220安装在框架210内，弹性杆240的一端安装敲击锤230另一端连接转轴220，转轴220带动敲击锤230旋转，限位块250固定在框架210内，限位块250和振动膜120均位于敲击锤230的旋转路径上且限位块250处于振动膜120的上游；
驱动组件260包括栏杆261、摆动板262、钢绳263、棘轮264、拉簧265和导向辊266，栏杆261安装在箱梁上，摆动板262上设置有摆轴262-1，摆动板262通过摆轴262-1铰接在栏杆261上，钢绳263的一端固定连接摆轴262-1，钢绳263的另一端经过导向辊266的引导后缠绕棘轮264然后连接拉簧265的一端，拉簧265的另一端固定在框架210或者限位块250上；棘轮264套在转轴220上，棘轮264的内圈设置有棘齿264-1，转轴220上设置有与棘齿264-1相适配的棘爪221；摆动板262受到自然风的作用产生摆动，摆动板262通过摆轴262-1牵引钢绳263，钢绳263受到摆动板262和拉簧265的作用进行往返动作，钢绳263带动棘轮264不停的正转和反转，棘齿264-1和棘爪221将棘轮264的正转和反转转化为转轴220的旋转；
振动膜120的表面设置有敲击板270，敲击板270位于敲击锤230的旋转路径上并且接受敲击锤230的敲击，护板280衔接敲击板270并且位于振动膜120之上，护板280与敲击板270和振动膜120之间均具有间隙。
如图6所示，导流框架300内设置有导流通道310，导流通道310贴合箱梁的侧面和底面，风力发电机400布置在导流通道310的进风口，风力发电机400发电后存储在蓄电池内为振动膜120供电；通气口130与导流通道310连通，导流框架300对应通气口130的位置设置有出风口320；导流通道310的末尾封闭，从进风口进入导流通道310的空气也只能从出风口320离开。
本实施例的基于零质量射流的扁平箱梁主动控制结构主要用于减少桥梁涡振，主要原理是：如图2所示，自然风从侧面吹向箱梁500，一部分风带动风力发电机400并进入导流通道310，最终从导流通道310的出风口320排出；一部分风贴合导流框架300的底面流动，这部分气流是平行气流，是最容易形成漩涡脱落的气流；如图6所示的振动膜120在振动时会在通气口130产生向下的剪切气流，剪切气流从导流通道310的出风口320排出，剪切气流剪切贴合导流框架300底面流动的平行气流，破坏平行气流可能形成的旋涡脱落，从而达到抑振桥梁涡振的效果。
敲击机构200用于对振动膜120进行不规律的敲击，不定期的改变振动膜120的振幅和振动频率，具体原理是：如图3所示，摆动板262受到自然风的作用产生摆动，摆动板262通过摆轴262-1牵引钢绳263，钢绳263受到摆动板262和拉簧265的作用进行往返动作，钢绳263带动棘轮264不停的正转和反转，棘齿264-1和棘爪221将棘轮264的正转和反转转化为转轴220的旋转；如图4和图5所示，转轴220带动敲击锤230旋转，敲击锤230在旋转的过程中首先遇到限位块250，在限位块250的阻挡作用下，敲击锤230暂时停留在限位块250上并且弹性杆240发生变形，当弹性杆240的变形达到一定程度后，敲击锤230将越过限位块250并快速敲击振动膜120上的敲击板270，使得振动膜120产生一次较大的振动；
在上述敲击时，敲击板270接受敲击锤230的敲击，敲击板270能够保护振动膜120；同时，敲击锤230接触敲击板270之后会立刻转移至护板280上，在之后的一小段时间，敲击锤230在护板280上滑过，这意味着敲击锤230在完成敲击之后会立刻与振动膜120分离，不影响振动膜120的振动。
虽然说明书中对本发明的实施方式进行了说明，但这些实施方式只是作为提示，不应限定本发明的保护范围。在不脱离本发明宗旨的范围内进行各种省略、置换和变更均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于零质量射流的扁平箱梁主动控制结构，其特征在于：包括射流装置(100)；
所述射流装置(100)包括壳体(110)和安装在壳体(110)上的振动膜(120)，壳体(110)布置在箱梁内，壳体(110)和振动膜(120)形成空腔，空腔的底部具有通气口(130)，通气口(130)与箱梁的底面齐平。
2.根据权利要求1所述的基于零质量射流的扁平箱梁主动控制结构，其特征在于：所述振动膜(120)为压电陶瓷振动膜。
3.根据权利要求1所述的基于零质量射流的扁平箱梁主动控制结构，其特征在于：还包括敲击机构(200)；所述敲击机构(200)包括框架(210)、转轴(220)、敲击锤(230)、弹性杆(240)、限位块(250)和驱动组件(260)，转轴(220)安装在框架(210)内，弹性杆(240)的一端安装敲击锤(230)另一端连接转轴(220)，转轴(220)带动敲击锤(230)旋转，限位块(250)固定在框架(210)内，限位块(250)和振动膜(120)均位于敲击锤(230)的旋转路径上且限位块(250)处于振动膜(120)的上游；驱动组件(260)驱动转轴(220)旋转。
4.根据权利要求3所述的基于零质量射流的扁平箱梁主动控制结构，其特征在于：所述驱动组件(260)包括栏杆(261)、摆动板(262)、钢绳(263)、棘轮(264)和拉簧(265)，所述栏杆(261)安装在箱梁上，摆动板(262)上设置有摆轴(262-1)，摆动板(262)通过摆轴(262-1)铰接在栏杆(261)上，钢绳(263)的一端固定连接摆轴(262-1)，钢绳(263)的另一端缠绕棘轮(264)后连接拉簧(265)的一端，拉簧(265)的另一端固定在框架(210)或者限位块(250)上；棘轮(264)套在转轴(220)上，棘轮(264)的内圈设置有棘齿(264-1)，所述转轴(220)上设置有与棘齿(264-1)相适配的棘爪(221)。
5.根据权利要求4所述的基于零质量射流的扁平箱梁主动控制结构，其特征在于：所述驱动组件(260)还包括导向辊(266)，导向辊(266)安装在箱梁上，导向辊(266)引导钢绳(263)的走向。
6.根据权利要求5所述的基于零质量射流的扁平箱梁主动控制结构，其特征在于：所述振动膜(120)的表面设置有敲击板(270)，敲击板(270)位于敲击锤(230)的旋转路径上并且接受敲击锤(230)的敲击。
7.根据权利要求6所述的基于零质量射流的扁平箱梁主动控制结构，其特征在于：所述敲击机构(200)还包括护板(280)，护板(280)衔接敲击板(270)并且位于振动膜(120)之上，护板(280)与敲击板(270)和振动膜(120)之间均具有间隙。
8.根据权利要求7所述的基于零质量射流的扁平箱梁主动控制结构，其特征在于：还包括风力发电机(400)和导流框架(300)，所述导流框架(300)内设置有导流通道(310)，导流通道(310)贴合箱梁的侧面和底面，风力发电机(400)布置在导流通道(310)的进风口；所述通气口(130)与导流通道(310)连通，导流框架(300)对应通气口(130)的位置设置有出风口(320)。
9.根据权利要求8所述的基于零质量射流的扁平箱梁主动控制结构，其特征在于：所述导流通道(310)的末尾封闭。
10.一种基于零质量射流的扁平箱梁主动控制方法，其特征在于：应用如权利要求1-9任一所述的基于零质量射流的扁平箱梁主动控制结构，通过振动膜(120)的振动在通气口(130)产生垂直于箱梁底面的剪切气流，利用剪切气流剪切贴合箱梁底面流动的平行气流，破坏平行气流，避免形成旋涡脱落。
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